JP5032741B2 - 3D shape measuring method and 3D shape measuring apparatus - Google Patents

3D shape measuring method and 3D shape measuring apparatus Download PDF

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Description

本発明は、被測定面上でプローブを走査させて、被測定面の表面形状を測定する３次元形状測定方法、及び３次元形状測定装置に関する。   The present invention relates to a three-dimensional shape measuring method and a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the surface shape of a surface to be measured by scanning a probe on the surface to be measured.

（従来技術１）
３次元形状測定装置は、光学部品や金型などの表面形状を、プローブを用いて測定する装置である。非接触式の光プローブを用いた３次元形状測定装置は、例えば特開平11-132752号公報に開示されている。 (Prior art 1)
The three-dimensional shape measuring device is a device that measures the surface shape of an optical component or a mold using a probe. A three-dimensional shape measuring apparatus using a non-contact type optical probe is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-132752.

この３次元形状測定装置は図１４に示すように、θ回転ステージ１０２、R移動ステージ１０５、Z移動ステージ１０４、光学ヘッド１０６及び光プローブ１０７を備えている。ここで、θ回転ステージ１０２は、被測定物１０１を回転させるために用いられる。θ回転ステージ１０２の回転軸は、被測定物１０１の回転対称軸と一致している。また、R移動ステージ１０５は、光学ヘッド１０６を該被測定物１０１の半径方向（R方向）に移動させる。この移動方向は、回転対称軸と直交する方向である。また、Z移動ステージ１０４は、光学ヘッド１０６を回転対称軸方向（Z方向）に移動させる。また、光学ヘッド１０６には、対物レンズ（対物部）が設けられている。この対物レンズは、その光軸が前記回転対称軸に対して傾斜するように配置されている。この傾斜角は、対物レンズの半開角よりも小さい。この様な構成により、該光学ヘッド１０６に設けられた光プローブ１０７は、該被測定物１０１の表面を走査する。同様に光プローブを用いた３次元形状測定装置としては、特開平1-26105号公報に開示された装置がある。   As shown in FIG. 14, the three-dimensional shape measuring apparatus includes a θ rotation stage 102, an R movement stage 105, a Z movement stage 104, an optical head 106, and an optical probe 107. Here, the θ rotation stage 102 is used for rotating the DUT 101. The rotation axis of the θ rotation stage 102 coincides with the rotational symmetry axis of the DUT 101. The R moving stage 105 moves the optical head 106 in the radial direction (R direction) of the object to be measured 101. This moving direction is a direction orthogonal to the rotational symmetry axis. The Z moving stage 104 moves the optical head 106 in the rotationally symmetric axis direction (Z direction). The optical head 106 is provided with an objective lens (object section). The objective lens is arranged so that its optical axis is inclined with respect to the rotational symmetry axis. This inclination angle is smaller than the half opening angle of the objective lens. With such a configuration, the optical probe 107 provided on the optical head 106 scans the surface of the object to be measured 101. Similarly, as a three-dimensional shape measuring apparatus using an optical probe, there is an apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-26105.

（従来技術２）
また、図１５に接触式プローブ４を利用した３次元形状測定装置を示す。この装置では、プローブ４の接触圧を一定に保ちながら、被測定面２Fの測定が行なわれる。また、プローブ４はスピンドル３の回転中心軸１０と平行に配置されている。 (Prior art 2)
FIG. 15 shows a three-dimensional shape measuring apparatus using the contact probe 4. In this apparatus, the measurement surface 2F is measured while keeping the contact pressure of the probe 4 constant. The probe 4 is arranged in parallel with the rotation center axis 10 of the spindle 3.

しかしながら、光プローブを用いた構成では、次のような問題がある。例えば、表面反射率の低い被測定物では、測定が困難であるという問題がある。その原因は、表面反射率が低いと、光プローブから照射した光が、被測定物からほとんど戻ってこないことである。   However, the configuration using the optical probe has the following problems. For example, there is a problem that it is difficult to measure an object to be measured having a low surface reflectance. The cause is that when the surface reflectance is low, the light irradiated from the optical probe hardly returns from the object to be measured.

別の問題は、急峻な形状を持つ被測定物では、測定が困難であるということである。この点について説明する。対物レンズは、所定のＮＡ（開口角）を有する。そして、このＮＡを満足する光が対物レンズに入射したとき、正確な測定が行われる。このＮＡは、対物レンズに入射できる光を制限する。そのため、例えば、被測定物における面の形状が急峻（面の傾き変化が大きい）であると、被測定物の面で反射した光のうち、ＮＡ以上の角度を持つ光は対物レンズに入射できない。あるいは、被測定物が開角の大きいレンズや、変曲点のある非球面レンズの場合には、被測定物の被測定面の傾き変化が大きく、また急峻な面が多いため、光プローブから照射した光が戻ってこない可能性がある。そのため、精度の高い測定が困難になる。   Another problem is that it is difficult to measure with an object having a steep shape. This point will be described. The objective lens has a predetermined NA (aperture angle). When light satisfying this NA is incident on the objective lens, accurate measurement is performed. This NA limits the light that can enter the objective lens. Therefore, for example, when the shape of the surface of the object to be measured is steep (the change in the surface inclination is large), light having an angle of NA or more out of the light reflected by the surface of the object to be measured cannot enter the objective lens. . Alternatively, if the object to be measured is a lens with a large opening angle or an aspherical lens with an inflection point, the change in the inclination of the surface to be measured is large and there are many steep surfaces. The irradiated light may not return. Therefore, it becomes difficult to measure with high accuracy.

また、接触式プローブを用いた３次元形状測定装置においては、スピンドル３の回転中心軸１０と平行に、プローブ４が配置されている。このため、プローブ４と被測定面２Fの法線２０との傾き角βが大きくなるほど、プローブ４の軸方向に対して直角方向の力Fが強くかかる。すると、接触圧をコントロールすることが困難になるので、プローブの追従性が悪くなる。その結果、測定データにノイズが生じ易くなる。また、傾き角βが大きくなるほど、プローブ４の倒れが生じるため、結果的に被測定物2の面形状を正確に測定することが困難である。つまり、被測定面２Fからの法線２０とプローブ４の傾きが大きいほど測定精度は劣化してしまう。   In the three-dimensional shape measuring apparatus using the contact type probe, the probe 4 is disposed in parallel with the rotation center axis 10 of the spindle 3. For this reason, the force F in the direction perpendicular to the axial direction of the probe 4 increases as the inclination angle β between the probe 4 and the normal line 20 of the measured surface 2F increases. Then, since it becomes difficult to control the contact pressure, the followability of the probe is deteriorated. As a result, noise tends to occur in the measurement data. Further, as the tilt angle β increases, the probe 4 falls down, and as a result, it is difficult to accurately measure the surface shape of the DUT 2. That is, the measurement accuracy deteriorates as the normal 20 from the measurement surface 2F and the inclination of the probe 4 increase.

本発明は、上記のような従来の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、反射率の低い被測定面や、被測定物の被測定面の傾斜変化が大きく、また急峻な面であっても面形状を高精度に測定できる3次元形状測定装置を提供するものである。   The present invention has been made in view of the conventional problems as described above, and the object of the present invention is that the change in the inclination of the measurement surface with low reflectivity or the measurement surface of the object to be measured is large. The present invention provides a three-dimensional shape measuring apparatus capable of measuring a surface shape with high accuracy even on a steep surface.

上記の目的を達成するために、第１の発明は３次元形状測定装置であって、被測定物をＺ1 軸を中心としてθ方向に回転させ、回転角度θを検出する回転機構と、前記被測定物に対向配置された接触式プローブと、該プローブを移動させるプローブ移動機構と、前記プローブの位置を測定する測長器と、前記回転機構により検出された回転角度θと、前記測長器により測定された前記プローブの位置とを用いて処理を行い、前記被測定物に関する形状測定データを取得する処理部と、を具備し、前記プローブ移動機構は、前記プローブを、前記Ｚ1 軸およびＺ1 軸に直交するＲ1 軸を含むＲ1 Ｚ1 平面内で、前記被測定物の表面形状の変化に追従するようにＺ2 軸方向に移動させる第１の副移動機構と、前記プローブを、前記Ｒ1 Ｚ1 平面内で前記Ｚ1 軸およびＺ2 軸方向とは異なるＲ2 軸方向に直線移動させるための第２の副移動機構とを備え、前記Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αが鋭角となるように、前記Ｚ1 軸とＺ2 軸が位置決めされ、前記プローブ移動機構が、前記Ｚ 1 軸とＺ 2 軸のなす角αを一定にして、前記プローブを移動させている。 In order to achieve the above object, a first invention is a three-dimensional shape measuring apparatus, wherein a rotation mechanism that rotates a measured object in the θ direction about the Z 1 axis and detects a rotation angle θ; A contact-type probe disposed opposite to the object to be measured, a probe moving mechanism that moves the probe, a length measuring device that measures the position of the probe, a rotation angle θ detected by the rotation mechanism, and the length measurement A processing unit that performs processing using the position of the probe measured by a measuring instrument and acquires shape measurement data relating to the object to be measured, and the probe moving mechanism moves the probe to the Z 1 axis. And a first sub-movement mechanism that moves in the Z 2 axis direction so as to follow the change in the surface shape of the object to be measured in the R 1 Z 1 plane including the R 1 axis orthogonal to the Z 1 axis, the probe, the in the R 1 Z 1 plane And a second sub-moving mechanism for linearly moving into a different R 2 axially one axis and Z 2 axial direction, such that the Z 1 axis and Z 2 angle of the axis α is an acute angle, the The Z 1 axis and the Z 2 axis are positioned, and the probe moving mechanism moves the probe while keeping the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis constant .

また、第２の発明は、第１の発明に係る３次元形状測定装置において、前記第２の副移動機構は、前記プローブを前記Ｚ2 軸に垂直な方向に直線移動させるものである。 The second invention provides a three-dimensional shape measuring apparatus according to the first invention, the second sub-moving mechanism is for linearly moving said probe in a direction perpendicular to the Z 2 axes.

また、第３の発明は、第１の発明に係る３次元形状測定装置において、前記第２の副移動機構は、前記プローブを前記Ｒ1 軸に平行な方向に直線移動させるものである。 According to a third aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first aspect of the invention, the second sub-movement mechanism linearly moves the probe in a direction parallel to the R 1 axis.

また、第４の発明は、第１の発明に係る３次元形状測定装置において、前記Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを任意の角度に調整可能な旋回機構を備える。 The fourth invention is the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first invention, further comprising a turning mechanism capable of adjusting the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis to an arbitrary angle.

また、第５の発明は、第１の発明に係る３次元形状測定装置において、前記測長器は、前記プローブのＲ1軸方向およびＺ1 軸方向の座標（ｒ1 ，ｚ1 ）を測定する。 According to a fifth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first aspect, the length measuring device measures coordinates (r 1 , z 1 ) in the R 1 axis direction and the Z 1 axis direction of the probe. To do.

また、第６の発明は、第１の発明に係る３次元形状測定装置において、前記測長器は、前記プローブのＲ2軸方向およびＺ2軸方向の座標（ｒ2 ，ｚ2 ）を測定する。 According to a sixth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first aspect, the length measuring device measures coordinates (r 2 , z 2 ) in the R 2 axis direction and the Z 2 axis direction of the probe. To do.

また、第７の発明は、第６の発明に係る３次元形状測定装置において、前記処理部で取得された形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）をＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に変換する変換部を有する。 According to a seventh aspect of the invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the sixth aspect of the invention, the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) acquired by the processing unit is used as the shape of the R 1 Z 1 θ coordinate system. A conversion unit for converting into measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) is included.

また、第８の発明は、第６または第７の発明に係る３次元形状測定装置において、前記処理部は、形状が即知である基準平面を被測定物として形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を取得するものであり、この形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）と、基準平面の設計形状データとを用いて形状誤差データを算出し、この形状誤差データからＺ1 軸とＺ2 軸のなす角αを算出する算出部を有する。 According to an eighth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the sixth or seventh aspect of the invention, the processing section uses shape measurement data (r 2 , z 2 , θ), the shape error data is calculated using the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) and the design shape data of the reference plane, and Z 1 is calculated from the shape error data. A calculating unit that calculates an angle α formed by the axis and the Z 2 axis.

また、第９の発明は、３次元形状測定方法であって、回転機構により被測定物をＺ1 軸を中心としてθ方向に回転させ、回転角度θを検出する工程と、接触式プローブを前記被測定物に対向配置する工程と、プローブ移動機構により前記プローブを移動させる工程と、測長器により前記プローブの位置を測定する工程と、前記回転機構により検出された回転角度θと、前記測長器により測定された前記プローブの位置とを用いて処理を行い、前記被測定物に関する形状測定データを取得する工程と、を具備し、前記プローブ移動機構により前記プローブを移動させる工程は、前記プローブを、前記Ｚ1 軸およびＺ1 軸に直交するＲ1 軸を含むＲ1 Ｚ1 平面内で、前記被測定物の表面形状の変化に追従するように前記Ｚ1 軸方向に対してなす角α（ただしなす角αは鋭角）であるＺ2 軸方向に移動させる第１の副移動機構による移動工程と、前記プローブを前記Ｒ1 Ｚ1 平面内で前記Ｚ1軸およびＺ2軸方向とは異なるＲ2 軸方向に直線移動させるための第２の副移動機構による移動工程を有し、かつ、前記第１の副移動機構による移動工程および前記第２の副移動機構による移動工程の何れの工程においても、前記プローブ移動機構により、前記Ｚ 1 軸とＺ 2 軸のなす角αを一定にして、前記プローブを移動させる。
The ninth invention is a three-dimensional shape measuring method, comprising: a step of rotating an object to be measured in the θ direction about the Z 1 axis by a rotation mechanism to detect a rotation angle θ; A step of facing the object to be measured, a step of moving the probe by a probe moving mechanism, a step of measuring the position of the probe by a length measuring device, a rotation angle θ detected by the rotation mechanism, and the measurement Processing using the position of the probe measured by a length device, obtaining shape measurement data relating to the object to be measured, and moving the probe by the probe moving mechanism, probe, in the Z 1 axis and Z in R 1 Z 1 plane containing the R 1 axis perpendicular to one axis, the forms with the Z 1 axial direction so as to follow the change in the surface shape of the workpiece Angle α The Shinasu angle α different from the moving step by the first sub-moving mechanism for moving the Z 2 axial direction is an acute angle), and the Z 1 axis and Z 2 axial direction the probe in the R 1 Z 1 plane have a moving step of the second sub-moving mechanism for linearly moving the R 2 axis direction, any step of the first transfer step and moving step by the second sub-moving mechanism according to auxiliary moving mechanism In this case, the probe is moved by making the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis constant by the probe moving mechanism .

また、第１０の発明は、第９の発明に係る３次元形状測定方法において、前記プローブをＲ2 軸方向に直線移動させる工程は、前記プローブを前記Ｚ2 軸に垂直な方向に直線移動する。 According to a tenth aspect of the invention, in the three-dimensional shape measuring method according to the ninth aspect of the invention, the step of linearly moving the probe in the R 2 axis direction linearly moves the probe in a direction perpendicular to the Z 2 axis. .

また、第１１の発明は、第９の発明に係る３次元形状測定方法において、前記プローブをＲ2 軸方向に直線移動させる工程は、前記プローブを前記Ｒ1 軸に平行な方向に直線移動する。 According to an eleventh aspect of the invention, in the three-dimensional shape measuring method according to the ninth aspect of the invention, the step of linearly moving the probe in the R 2 axis direction linearly moves the probe in a direction parallel to the R 1 axis. .

また、第１２の発明は、第９の発明に係る３次元形状測定方法において、前記Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを任意の角度に調整する工程を有する。 The twelfth invention includes a step of adjusting an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis to an arbitrary angle in the three-dimensional shape measuring method according to the ninth invention.

また、第１３の発明は、第９の発明に係る３次元形状測定方法において、前記プローブの位置を測定する工程は、前記プローブのＲ1軸方向およびＺ1軸方向の座標（ｒ1 ，ｚ1 ）を測定する。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring method according to the ninth aspect of the invention, the step of measuring the position of the probe includes coordinates (r 1 , z) of the probe in the R 1 axis direction and the Z 1 axis direction. 1 ) Measure.

また、第１４の発明は、第９の発明に係る３次元形状測定方法において、前記プローブの位置を測定する工程は、前記プローブのＲ2軸方向およびＺ2軸方向の座標（ｒ2 ，ｚ2 ）を測定する。 According to a fourteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring method according to the ninth aspect of the invention, the step of measuring the position of the probe includes coordinates (r 2 , z) of the probe in the R 2 axis direction and the Z 2 axis direction. 2 ) Measure.

また、第１５の発明は、第１４の発明に係る３次元形状測定方法において、前記被測定物の形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）をＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に変換する工程を有する。 According to a fifteenth aspect, in the three-dimensional shape measurement method according to the fourteenth aspect, the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) of the object to be measured is shape measurement data in the R 1 Z 1 θ coordinate system. (R 2 cos α, z 2 cos α, θ).

また、第１６の発明は、第１４または第１５の発明に係る３次元形状測定方法において、形状が即知である基準平面を被測定物として形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を取得する工程と、この形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）と、基準平面の設計形状データとを用いて形状誤差データを算出する工程と、この形状誤差データから、Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを算出する工程と、を有する。 According to a sixteenth aspect, in the three-dimensional shape measurement method according to the fourteenth or fifteenth aspect, shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) is obtained using a reference plane whose shape is immediately known as an object to be measured. A step of acquiring, a step of calculating shape error data using the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) and the design shape data of the reference plane, and the Z 1 axis and Z from the shape error data Calculating an angle α formed by the two axes.

また、第１７の発明は、第１３の発明に係る３次元形状測定方法において、前記第２の副移動機構により前記プローブをＲ2 軸方向に移動する工程は、前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲を移動する工程であり、前記Ｒ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲における二つの形状測定データと、前記被測定物の設計形状データとを用いて形状誤差データを算出する工程と、前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲における形状誤差データとマイナスの範囲における形状誤差データとの差を算出する工程と、前記二つの範囲の形状誤差データの差を小さくするためのプローブＲ1 座標の補正値（Δｒ’）を求める工程と、前記被測定物の形状測定データ（ｒ1 ，ｚ1 ，θ）に前記補正値（Δｒ’）を加算して当該形状測定データを補正する工程とをさらに有する。 According to a seventeenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring method according to the thirteenth aspect of the present invention, the step of moving the probe in the R 2 axis direction by the second sub-movement mechanism has a positive R 1 coordinate of the probe. The shape error data is calculated using the two shape measurement data in the range where the R 1 coordinate is plus and minus and the design shape data of the object to be measured. A step of calculating a difference between shape error data in a range in which the R 1 coordinate of the probe is plus and a shape error data in a minus range, and reducing a difference between the shape error data in the two ranges. 'a step of determining a shape measurement data (r 1, z 1, θ ) of the object to be measured the correction value ([Delta] r probe R 1 coordinate correction value ([Delta] r)' the shape measurement data by adding) Further comprising a positive to process.

また、第１８の発明は、第１５または第１６の発明に係る３次元形状測定方法において、前記第２の副移動機構により前記プローブをＲ2 軸方向に移動する工程は、前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲を移動する工程であり、前記Ｒ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲における二つの形状測定データと、前記被測定物の設計形状データを用いて形状誤差データを算出する工程と、前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲における形状誤差データとマイナスの範囲における形状誤差データとの差を算出する工程と、前記二つの範囲の形状誤差データの差を小さくするためのプローブＲ1 座標の補正値（Δｒ’）を求める工程と、前記被測定物の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に前記補正値（Δｒ’）を加算して当該形状測定データを補正する工程とをさらに有する。 The invention of eighteenth in the three-dimensional shape measuring method according to the invention of the fifteenth or sixteenth step of moving the probe to the R 2 axially by the second sub-moving mechanism, the probe R 1 A step of moving between a plus range and a minus range of coordinates, and shape error data using two shape measurement data in the plus range and minus range of the R 1 coordinate and the design shape data of the object to be measured , Calculating the difference between the shape error data in the range where the R 1 coordinate of the probe is positive and the shape error data in the negative range, and reducing the difference between the shape error data in the two ranges For obtaining the correction value (Δr ′) of the probe R 1 coordinate, and adding the correction value (Δr ′) to the shape measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) of the object to be measured Tote Further comprising the step of correcting the shape measurement data.

本発明によれば、反射率の低い被測定物や、被測定物の被測定面の傾斜変化が大きく、また急峻な場合であっても、面形状を高精度に測定できる３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法が提案される。   According to the present invention, a three-dimensional shape measuring apparatus that can measure a surface shape with high accuracy even when the object to be measured has a low reflectivity or the change in the inclination of the surface to be measured is large and steep. And a three-dimensional shape measuring method is proposed.

本発明では、エアースピンドルの回転中心軸と接触式プローブに角度差を設けている。このようにすることにより、エアースピンドルの回転中心軸に対するプローブの相対角度の量だけ、被測定面とプローブの傾斜角度が小さくなる。よって、接触式プローブに対して横方向に加わる力が低減されるので、被測定物の被測定面の傾斜変化が大きく、また面形状が急峻であっても正確な測定を行える。 In the present invention, and an angular difference is provided in the contact probe and the rotation center axis of the air spindle. By doing so, the inclination angle of the surface to be measured and the probe is reduced by the amount of the relative angle of the probe with respect to the rotation center axis of the air spindle. Therefore, since the force applied in the lateral direction to the contact probe is reduced, the inclination change of the measurement surface of the object to be measured is large, and accurate measurement can be performed even when the surface shape is steep.

図１は、本発明の３次元形状測定装置の概略を説明するための図である。図１において、エアースピンドル３は、被測定物２を回転させるための回転機構として用いられている。また、接触式プローブ４（以下、単にプローブ４とする。）は、被測定物２の表面形状に追従するように制御される。   FIG. 1 is a diagram for explaining an outline of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. In FIG. 1, an air spindle 3 is used as a rotation mechanism for rotating the DUT 2. Further, the contact probe 4 (hereinafter simply referred to as the probe 4) is controlled so as to follow the surface shape of the DUT 2.

本発明の３次元形状測定装置は、図１に示すように、エアースピンドル３の回転中心軸１０に対して、プローブ４を相対的に角度αだけ傾けて配置している。そして、この状態で被測定物を測定している。これは、被測定面の法線２０に対するプローブ４の傾きaを実質的に小さくして、被測定物２を測定していることになる。これにより、回転中心軸１０に対する被測定面の法線２０の傾き角bが大きい場合でも、測定精度の大きな低下を防ぐことができる。   As shown in FIG. 1, the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention is arranged such that the probe 4 is inclined relative to the rotation center axis 10 of the air spindle 3 by an angle α. In this state, the object to be measured is measured. This means that the object to be measured 2 is measured while the inclination a of the probe 4 with respect to the normal 20 of the surface to be measured is substantially reduced. Thereby, even when the inclination angle b of the normal 20 of the surface to be measured with respect to the rotation center axis 10 is large, it is possible to prevent a large decrease in measurement accuracy.

また、測定中はエアースピンドル３の回転中心軸１０に対してプローブ４の相対角度αは一定である。従って、曲率半径Ｒの測定誤差は発生しないので、曲率半径Ｒを含めた被測定面の形状誤差を正確に測定できる。     During the measurement, the relative angle α of the probe 4 with respect to the rotation center axis 10 of the air spindle 3 is constant. Accordingly, no measurement error of the radius of curvature R occurs, so that the shape error of the surface to be measured including the radius of curvature R can be accurately measured.

（第１実施形態）
以下、図２〜図５を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。図２は、本発明の３次元形状測定装置の主要部を概略的に示す図である。本測定装置７８では図２に示すように、エアースピンドル３の回転中心軸１０の方向をＺ1 、これに直角な方向をＲ1 としている。この座標系において、被測定物２はエアースピンドル３上に載置されている。なお、エアースピンドル３は、定盤１に固定されている。一方、プローブ４は接触式であって、先端部に先端球を有している。このプローブ４はＺステージ８上に設置されているので、被測定物２の被測定面の形状に追従して動く。また、Ｚステージ８はエアースライド６上に設置されている。 (First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram schematically showing the main part of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. In this measuring device 78, as shown in FIG. 2, the direction of the rotation center axis 10 of the air spindle 3 is Z 1 , and the direction perpendicular thereto is R 1 . In this coordinate system, the DUT 2 is placed on the air spindle 3. The air spindle 3 is fixed to the surface plate 1. On the other hand, the probe 4 is a contact type and has a tip sphere at the tip. Since the probe 4 is installed on the Z stage 8, it moves following the shape of the surface to be measured of the object 2 to be measured. The Z stage 8 is installed on the air slide 6.

Ｚステージ８とプローブ４は、エアースピンドル３の回転中心軸１０に対して、Ｒ1Ｚ1 平面内で相対角度がαとなるように配置されている。よって、Ｚステージ８はＺ2 方向に移動する。また、エアースライド６は、Ｒ1 Ｚ1 平面内でＺ2 方向に直交する方向（Ｒ2 ）に移動する。 The Z stage 8 and the probe 4 are arranged so that the relative angle with respect to the rotation center axis 10 of the air spindle 3 is α in the R 1 Z 1 plane. Thus, Z-stage 8 is moved in the Z 2 direction. The air slide 6 moves in a direction (R 2 ) orthogonal to the Z 2 direction in the R 1 Z 1 plane.

したがって、エアースライド６とプローブ４は、Ｒ2方向及び Ｚ2 方向に移動可能である。また、Ｚ2 方向の測長は、Ｚステージ８に設置したリニアエンコーダ９により行い、Ｒ2 方向の測長は、エアースライド６に設置したリニアエンコーダ７により行なっている。また、エアースピンドル３の回転角度（θ）は、ロータリエンコーダ１１により測定される。 Therefore, the air slide 6 and the probe 4 are in the R 2 direction and It is movable in the Z 2 direction. Further, the length measurement in the Z 2 direction is performed by a linear encoder 9 installed on the Z stage 8, and the length measurement in the R 2 direction is performed by a linear encoder 7 installed on the air slide 6. The rotation angle (θ) of the air spindle 3 is measured by the rotary encoder 11.

図３は、本測定装置７８に用いられる処理部を表すブロック図である。この処理部は、本測定装置７８と一体であっても、別体であっても構わない。図３に示すように、処理部は、制御手段７０、接触圧制御部７１、補正値演算手段７２、回転速度制御部７３、座標変換手段７５及び記憶手段７６を備える。ここで、制御手段７０は、装置全体の制御を行なう。接触圧制御部７１は、被測定物２の表面に対するプローブ４の接触圧を制御する。補正値演算手段７２は、補正値を演算する。この補正値は、形状測定データに含まれた測定誤差を補正するためのものである。回転速度制御部７３は、エアースピンドル３の回転速度を制御する。座標変換手段７５は、形状測定データ等の座標変換を行なう。記憶手段７６は、形状測定データ等の各種データを記憶する。   FIG. 3 is a block diagram illustrating a processing unit used in the measurement device 78. This processing unit may be integrated with the measuring device 78 or may be a separate body. As shown in FIG. 3, the processing unit includes a control unit 70, a contact pressure control unit 71, a correction value calculation unit 72, a rotation speed control unit 73, a coordinate conversion unit 75, and a storage unit 76. Here, the control means 70 controls the entire apparatus. The contact pressure control unit 71 controls the contact pressure of the probe 4 with respect to the surface of the DUT 2. The correction value calculation means 72 calculates a correction value. This correction value is for correcting a measurement error included in the shape measurement data. The rotation speed control unit 73 controls the rotation speed of the air spindle 3. The coordinate conversion means 75 performs coordinate conversion of shape measurement data and the like. The storage means 76 stores various data such as shape measurement data.

次に、具体的な測定方法について図４を用いて説明する。本実施の形態では、まず被測定物２をエアースピンドル３に固定する（ステップＳ１）。   Next, a specific measurement method will be described with reference to FIG. In the present embodiment, first, the device under test 2 is fixed to the air spindle 3 (step S1).

制御手段７０の制御に基づき、この被測定物２をエアースピンドル３により回転させる。そして、この状態で、被測定物２の面形状の変化に合わせて、Ｚステージ８によりプローブ４をＺ2 方向に移動させる。同時に、エアースライド６により、プローブ４をＲ2 方向に移動さる。そして、このときのＲ2軸におけるプローブ４の位置、及びＺ2軸におけるプローブ４の位置（以下、（ｒ2 ，ｚ2 ）とする。）を、リニアエンコーダ７及び９で測定する。さらに、エアースピンドル３の回転角度（θ）を、ロータリエンコーダ１１で測定する。このようにすることにより、被測定物２の形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を点列データとして取得し、記憶手段７６に記憶する（ステップＳ２）。 Based on the control of the control means 70, the DUT 2 is rotated by the air spindle 3. In this state, the probe 4 is moved in the Z 2 direction by the Z stage 8 in accordance with the change in the surface shape of the DUT 2. At the same time, the probe 4 is moved in the R 2 direction by the air slide 6. Then, the position of the probe 4 on the R 2 axis and the position of the probe 4 on the Z 2 axis (hereinafter referred to as (r 2 , z 2 )) are measured by the linear encoders 7 and 9. Furthermore, the rotation angle (θ) of the air spindle 3 is measured by the rotary encoder 11. In this way, the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) of the DUT 2 is acquired as point sequence data and stored in the storage means 76 (step S2).

なお、プローブ４を移動する範囲を図５に示す。図５に示されているように、移動範囲は、少なくともエアースピンドル３の回転中心軸の位置４Ａから測定範囲の最外周の位置４Ｃまでとする。これは、被測定物２の被測定面を、全面にわたって測定するためである。   The range in which the probe 4 is moved is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the moving range is at least from the position 4A of the rotation center axis of the air spindle 3 to the outermost position 4C of the measuring range. This is because the measurement surface of the DUT 2 is measured over the entire surface.

また、ステップＳ２において、プローブ４のＲ2 方向の位置を任意の複数箇所で固定して、エアースピンドル３を回転させて測定を行ってもよい。この場合、得られるデータは、エアースピンドル３の回転中心軸１０を中心とした同心円状の形状測定データとなる。 Further, in step S2, the R 2 position of the probe 4 and fixed at a plurality of arbitrary locations, the measurement may be performed by rotating the air spindle 3. In this case, the obtained data is concentric shape measurement data centered on the rotation center axis 10 of the air spindle 3.

また、プローブ４をＲ2 方向に移動しながら測定すると、得られるデータは、スパイラル（渦巻き）状の形状測定データになる。あるいは、エアースピンドル３の回転角度を複数箇所で固定して、プローブ４をＲ2 方向に移動させても良い。この場合、得られるデータは、エアースピンドル３の回転中心軸１０を中心とした放射状の形状測定データになる。本発明においては、同心円状の形状測定データ、スパイラル状の形状測定データ、放射状の形状測定データあるいはこれらを組み合わせた形状測定データであっても構わない。 Further, when the probe 4 is measured while moving in the R 2 direction, the obtained data becomes spiral shape measurement data. Alternatively, by fixing the rotation angle of the air spindle 3 at a plurality of locations may be moved to the probe 4 in the R 2 direction. In this case, the obtained data is radial shape measurement data centered on the rotation center axis 10 of the air spindle 3. In the present invention, it may be concentric shape measurement data, spiral shape measurement data, radial shape measurement data, or shape measurement data combining these.

次に座標変換手段７５において、以下の処理を行う。まず、ステップＳ２で取得した形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を、相対角度αを使って補正し、Ｒ1 Ｚ1θ座標系データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）とする（ステップＳ３）。 Next, the coordinate conversion means 75 performs the following processing. First, the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) acquired in step S2 is corrected using the relative angle α, and R 1 Z 1 θ coordinate system data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ (Step S3).

次にステップＳ３で取得した形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）を、直交座標系の測定データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換する（ステップＳ４）。 Next, the shape measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) acquired in step S3 is converted into measurement data (X, Y, Z) in an orthogonal coordinate system (step S4).

ステップＳ４で算出した測定データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を座標変換することにより、形状誤差データ（Ｘ，Ｙ，ΔＺ）を算出する（ステップＳ５）。また、形状誤差データ（Ｘ，Ｙ，ΔＺ）の算出にあたっては、最小二乗法、ニュートン法等の即知の方法を使用し、被測定面の設計形状データとこの被測定面の測定データとの差が最小となるような処理を行う。   Shape error data (X, Y, ΔZ) is calculated by performing coordinate conversion on the measurement data (X, Y, Z) calculated in step S4 (step S5). Further, in calculating the shape error data (X, Y, ΔZ), a known method such as the least square method or the Newton method is used, and the design shape data of the measured surface and the measured data of the measured surface are used. Processing is performed so that the difference is minimized.

ステップＳ５の座標変換は、例えば特開２００２−１１６０１９号公報に開示されているような、誤差を評価する方法を用いる。この方法では、設計形状データは、被測定面の設計式にプローブ４の先端球の曲率半径が加味されている。この設計形状データと測定データを比較し、最小二乗法、ニュートン法等の既知の方法を用いて誤差が最小となるように測定データを座標変換する。座標変換に用いた変換量は、記憶手段７６に記憶しておく。   For the coordinate transformation in step S5, for example, a method for evaluating an error as disclosed in JP-A-2002-1116019 is used. In this method, in the design shape data, the curvature radius of the tip sphere of the probe 4 is added to the design formula of the surface to be measured. The design shape data and the measurement data are compared, and the measurement data is coordinate-transformed using a known method such as the least square method or Newton method so that the error is minimized. The conversion amount used for the coordinate conversion is stored in the storage unit 76.

なお形状誤差データには、エアースピンドル３の回転中心軸１０に対するプローブ４のＲ1 方向の原点位置誤差が含まれている。そこで、補正値演算手段７２で補正を行う。 The shape error data includes the origin position error in the R 1 direction of the probe 4 with respect to the rotation center axis 10 of the air spindle 3. Therefore, correction is performed by the correction value calculation means 72.

図６は、原点位置誤差がある場合の形状誤差データをグラフ表示した図である。図６では、形状誤差データ（Ｘ，Ｙ，ΔＺ）のＸを横軸に、形状誤差であるΔＺを縦軸にとっている。図６において、３１は、プローブ４のＲ1 座標がマイナスの範囲（図５の位置４Ａから４Ｂ）における形状誤差データである。また３０は、プローブ４のＲ1 座標がプラスの範囲（図５の位置４Ａから４Ｃ）における形状誤差データである。ここで、プローブ４に原点位置誤差が無ければ、形状誤差データ３１と形状誤差データ３０は重なる。しかしながら、プローブ４に原点位置誤差があると、形状誤差データ３１と形状誤差データ３０との間で差が生じる。なお、測定にあたっては、測定範囲を、被測定物２の最外周からエアースピンドル３の回転中心軸１０を越える位置までとするのが好ましい。 FIG. 6 is a graph showing the shape error data when there is an origin position error. In FIG. 6, X of the shape error data (X, Y, ΔZ) is on the horizontal axis, and ΔZ, which is the shape error, is on the vertical axis. In FIG. 6, reference numeral 31 denotes shape error data in a range where the R 1 coordinate of the probe 4 is negative (positions 4A to 4B in FIG. 5). Reference numeral 30 denotes shape error data in a range where the R 1 coordinate of the probe 4 is positive (positions 4A to 4C in FIG. 5). Here, if there is no origin position error in the probe 4, the shape error data 31 and the shape error data 30 overlap. However, if the probe 4 has an origin position error, a difference occurs between the shape error data 31 and the shape error data 30. In the measurement, it is preferable that the measurement range is from the outermost periphery of the DUT 2 to a position exceeding the rotation center axis 10 of the air spindle 3.

補正値演算手段７２では、形状誤差データ３１と形状誤差データ３０に、Ｒ1 方向のプローブ４の原点誤差補正値をパラメータとして与える。そして、形状誤差データが重なるような補正値を求める。このようにすることにより、エアースピンドル３の回転中心軸１０に対するプローブ４の原点誤差補正値（Δｒ’）を算出することができる。 In the correction value calculating means 72, the shape error data 31 and the shape error data 30, giving origin error correction value of R 1 direction of the probe 4 as parameters. Then, a correction value is obtained so that the shape error data overlaps. In this way, the origin error correction value (Δr ′) of the probe 4 with respect to the rotation center axis 10 of the air spindle 3 can be calculated.

続いて、被測定面の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に、このプローブ４の原点誤差補正値（Δｒ’）を加算して形状測定データを補正する。そして、補正した形状測定データ（ｒ2 cos α＋Δｒ’，ｚ2 cos α，θ）を、記憶手段７６に記憶する（ステップＳ５’）。そして、ステップＳ４に一度戻る。 Subsequently, the shape measurement data is corrected by adding the origin error correction value (Δr ′) of the probe 4 to the shape measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) of the surface to be measured. Then, the corrected shape measurement data (r 2 cos α + Δr ′, z 2 cos α, θ) is stored in the storage means 76 (step S5 ′). And it returns once to step S4.

ステップＳ５’で記憶した形状測定データ（ｒ2 cos α＋Δｒ’，ｚ2 cos α，θ）は、座標変換手段７５において直交座標系データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）に変換される（ステップＳ４）。ステップＳ５において測定データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を座標変換することにより、形状誤差データ（Ｘ’，Ｙ’，ΔＺ’）を算出する。形状誤差データ（Ｘ’，Ｙ’，ΔＺ’）の算出にあたっては、最小二乗法、ニュートン法等の即知の方法を使用し、被測定面の設計形状データと、この被測定面の測定データとの差が最小となるような処理を行う。 The shape measurement data (r 2 cos α + Δr ′, z 2 cos α, θ) stored in step S 5 ′ is converted into orthogonal coordinate system data (X ′, Y ′, Z ′) by the coordinate conversion means 75 (step S4). In step S5, the shape error data (X ′, Y ′, ΔZ ′) is calculated by converting the coordinates of the measurement data (X ′, Y ′, Z ′). In calculating the shape error data (X ′, Y ′, ΔZ ′), a known method such as the least square method or the Newton method is used, and the design shape data of the measurement surface and the measurement data of the measurement surface are measured. Processing is performed to minimize the difference between

ステップＳ５で算出した被測定物２の形状誤差データ（Ｘ’，Ｙ’，ΔＺ’）により、被測定面の設計形状に対する３次元形状の評価を行う（ステップＳ６）。   Based on the shape error data (X ′, Y ′, ΔZ ′) of the device under test 2 calculated in step S5, a three-dimensional shape is evaluated with respect to the design shape of the surface to be measured (step S6).

なおステップＳ３においては、初めに基準平面を測定する。そして、α＝０として図４の処理に従って基準平面の設計形状から形状誤差を算出し、形状誤差が最小となるような傾き誤差の補正値αを求める。この角度αを座標補正値として記憶手段７６に記憶し、形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を補正することにより形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）とする。 In step S3, the reference plane is first measured. Then, with α = 0, a shape error is calculated from the design shape of the reference plane in accordance with the process of FIG. 4, and a correction value α for the tilt error that minimizes the shape error is obtained. The angle alpha is stored as the coordinate correction value in the storage means 76, the shape measurement data (r 2, z 2, θ ) shape measurement data by correcting (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) to .

上記した第１実施形態によれば、図１に示すように、エアースピンドル３の回転中心軸１０に対してプローブ４に相対角度αを与えている。これにより、被測定物２の被測定面の傾斜変化が大きく、また急峻な場合であっても、被測定面の法線２０とプローブ４の軸の角度がαの量だけ緩くなる。そのため、被測定物２の被測定面の傾斜変化が大きく、また急峻な場合であっても、面形状を精度良く評価することができる。また、相対角度αは一定であることから、曲率半径Ｒの測定誤差は発生しないので、被測定物の曲率半径を含めた形状を精度良く測定することができる。   According to the first embodiment described above, as shown in FIG. 1, the relative angle α is given to the probe 4 with respect to the rotation center axis 10 of the air spindle 3. Thereby, even if the change in the inclination of the measurement surface of the DUT 2 is large and steep, the angle between the normal 20 of the measurement surface and the axis of the probe 4 is relaxed by the amount of α. Therefore, even if the change in the inclination of the measurement surface of the DUT 2 is large and steep, the surface shape can be accurately evaluated. Further, since the relative angle α is constant, no measurement error of the radius of curvature R occurs, so that the shape including the radius of curvature of the object to be measured can be accurately measured.

更に、エアースライド６の移動軸がプローブ４の移動軸に対して直交するように、エアースライド６とプローブ４が配置されている。よって、プローブ４の軸が回転中心軸１０に対して角度αだけ傾くようにすると、エアースライド６の移動軸は回転中心軸１０に対して直交しなくなる。そのため、エアースライド６の移動軸が回転中心軸１０に対して直交している構成と比べると、Ｚステージ８の移動量が角度αの分だけ小さくなる。その結果、Ｚステージ８の真直度誤差を小さくすることができるので、高精度に測定できる。また、Ｚステージ８を小型化することができる。   Further, the air slide 6 and the probe 4 are arranged so that the moving axis of the air slide 6 is orthogonal to the moving axis of the probe 4. Therefore, when the axis of the probe 4 is inclined by the angle α with respect to the rotation center axis 10, the moving axis of the air slide 6 is not orthogonal to the rotation center axis 10. Therefore, compared to a configuration in which the movement axis of the air slide 6 is orthogonal to the rotation center axis 10, the movement amount of the Z stage 8 is reduced by the angle α. As a result, since the straightness error of the Z stage 8 can be reduced, measurement can be performed with high accuracy. Moreover, the Z stage 8 can be reduced in size.

（第１実施形態の変形例）
図７は、本発明の変形例に係る３次元形状測定装置の主要部を概略的に示す図である。 (Modification of the first embodiment)
FIG. 7 is a diagram schematically showing main parts of a three-dimensional shape measuring apparatus according to a modification of the present invention.

図７に示すように、本変形例においても、エアースピンドル３の回転中心軸１０の方向をＺ1 、それに直角な方向をＲ1 としている。ただし、第１実施形態と比較すると、本変形例は以下のように異なる。本変形例では、エアースピンドル３の回転中心軸１０が鉛直方向に対してαだけ傾くように、エアースピンドル３が配置されている。一方、Ｚステージ８は、鉛直（Ｚ2 方向）に移動するように構成されている。そして、Ｚステージ８の移動方向に対して、垂直に移動するように、エアースライド６（Ｒ2 方向）が設置されている。この場合、プローブ４は、Ｒ2 方向とＺ2 方向に移動可能である。 As shown in FIG. 7, also in this modification, the direction of the rotation center axis 10 of the air spindle 3 is Z 1 , and the direction perpendicular thereto is R 1 . However, when compared with the first embodiment, this modification is different as follows. In this modification, the air spindle 3 is arranged so that the rotation center axis 10 of the air spindle 3 is inclined by α with respect to the vertical direction. On the other hand, Z stage 8 is configured to move vertically (Z 2 direction). Then, the moving direction of the Z stage 8 so as to move vertically, air slide 6 (R 2 direction) is provided. In this case, the probe 4 is movable in the R 2 direction and the Z 2 direction.

既存の３次元形状測定装置では、プローブ４はＲ2 方向とＺ2 方向に移動するように構成されたものが多い。よって、上記した変形例によれば、既存の３次元形状測定装置に導入が容易である。 In many existing three-dimensional shape measuring apparatuses, the probe 4 is configured to move in the R 2 direction and the Z 2 direction. Therefore, according to the above-described modification, introduction into an existing three-dimensional shape measurement apparatus is easy.

（第２実施形態）
以下、図８〜図１０を参照して本発明の第２実施形態を説明する。図８は、本発明の３次元形状測定装置の主要部を概略的に示す図である。本実施の形態においても、エアースピンドル３の回転中心軸１０の方向をＺ1 、これに直角な方向をＲ1 とする。 (Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a diagram schematically showing the main part of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. Also in this embodiment, the direction of the rotation center axis 10 of the air spindle 3 is Z 1 , and the direction perpendicular thereto is R 1 .

本実施形態の特徴は、回転ステージ１３を備えている点である。この回転ステージ１３は、２つの機能を持つ。１つは、プローブ４の傾き角度を、Ｒ1 Ｚ1 面内で任意に調整する機能である。もう１つは、調整後プローブ４を、その角度で固定する機能である。なお、その他の構成は実施形態１と同様である。 The feature of this embodiment is that a rotary stage 13 is provided. The rotary stage 13 has two functions. One is a function of arbitrarily adjusting the tilt angle of the probe 4 within the R 1 Z 1 plane. The other function is to fix the adjusted probe 4 at that angle. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

次に、具体的な測定方法について図９を用いて説明する。なお、図１０は被測定物２とプローブ４の関係を示している。ここで、被測定物２の測定面２Ｆの測定範囲をＭとする。また、測定範囲Ｍの最外周Ｎにおける面の傾き角をｂ’とし、半分の角度をｂ’／２＝αとする。あるいは、αは、測定範囲Ｍにおける最大傾斜角ｂ’の半分の角度である。   Next, a specific measurement method will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows the relationship between the DUT 2 and the probe 4. Here, let M be the measurement range of the measurement surface 2F of the DUT 2. In addition, the inclination angle of the surface at the outermost circumference N of the measurement range M is b ′, and the half angle is b ′ / 2 = α. Alternatively, α is a half angle of the maximum inclination angle b ′ in the measurement range M.

本実施の形態では図９に示すように、まず被測定物２をエアースピンドル３に固定する（ステップＳ１１）。そして、回転ステージ１３により、エアースライド６、Ｚステージ８及びプローブ４を回転させる。この時、これらの部材を、角度αだけ、Ｒ1 Ｚ1 面内で回転させる。その後、回転ステージ１３を固定する。このとき、回転後の回転ステージ１３の回転角αを座標補正値として記憶する（ステップＳ１１’）。 In the present embodiment, as shown in FIG. 9, first, the object to be measured 2 is fixed to the air spindle 3 (step S11). Then, the air slide 6, the Z stage 8 and the probe 4 are rotated by the rotary stage 13. At this time, these members are rotated in the R 1 Z 1 plane by an angle α. Thereafter, the rotary stage 13 is fixed. At this time, the rotation angle α of the rotation stage 13 after rotation is stored as a coordinate correction value (step S11 ′).

残りの測定ステップＳ１２〜ステップＳ１６は、第１実施形態のステップＳ２〜ステップＳ６と同様なので説明は省略する。   The remaining measurement steps S12 to S16 are the same as steps S2 to S6 of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

本実施形態では、プローブ４、エアースライド６、Ｚステージ８を回転ステージ１３により旋回できるように構成したが、本実施の形態の変形例として、エアースピンドル３に回転ステージ１３を取り付けて、エアースピンドル３を旋回できるようにすることも可能である。   In the present embodiment, the probe 4, the air slide 6, and the Z stage 8 are configured to be swiveled by the rotation stage 13. However, as a modification of the present embodiment, the rotation stage 13 is attached to the air spindle 3 to It is also possible to turn 3.

上記した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用、効果が得られると共に、被測定面の傾き角に応じてステージの傾き角を調整可能であり、被測定物の表面形状を正確に評価することができる。   According to the second embodiment described above, the same operation and effect as the first embodiment can be obtained, and the tilt angle of the stage can be adjusted according to the tilt angle of the surface to be measured, and the surface shape of the object to be measured Can be accurately evaluated.

（第３実施形態）
次に、図１１〜図１３を参照して本発明の第３実施形態を説明する。図１１は、本発明の３次元形状測定装置の主要部を概略的に示す図である。図１１に示す本実施の形態でも、エアースピンドル５８の回転中心軸６０の方向をＺ1 、これに直角な方向をＲ1 としている。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a diagram schematically showing the main part of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. Also in this embodiment shown in FIG. 11, the direction of the rotation center axis 60 of the air spindle 58 is Z 1 , and the direction perpendicular thereto is R 1 .

本実施形態では、エアースピンドル５８の回転中心軸６０がベース２００の一端と平行となるように、エアースピンドル５８を設置している。プローブ５４は、Ｒ1 Ｚ1 面内で、エアースピンドル５８の回転中心軸６０に対して相対角度αを持つように配置されている。このプローブ５４は、被測定物５９の表面のＺ2 方向の変化に追従すると共に、エアースライド５３によりＺ2 方向に直交するＲ2 方向に移動する構成となっている。さらに、ベース２００には、測長器５５が設けられている。この測長器５５は位置検出器であって、プローブ先端の位置（ｒ１ ，ｚ１ ）を測定する。 In the present embodiment, the air spindle 58 is installed so that the rotation center axis 60 of the air spindle 58 is parallel to one end of the base 200. The probe 54 is disposed so as to have a relative angle α with respect to the rotation center axis 60 of the air spindle 58 in the R 1 Z 1 plane. The probe 54 is configured to follow the change in the Z 2 direction on the surface of the measurement object 59 and to move in the R 2 direction orthogonal to the Z 2 direction by the air slide 53. Further, the base 200 is provided with a length measuring device 55. This length measuring device 55 is a position detector, and measures the position (r 1 , z 1 ) of the probe tip.

本実施形態では、プローブ５４は、例えば特願２００１−２７１５００号に記載されているような接触式プローブを利用する。プローブ５４の概略を説明する。プローブ５４には、先端にルビー球５０が設けられている。そして、プローブ５４は、エアースライド５６に保持されている。プローブ５４は、その軸が図１１に示す矢印Ａ，Ｂ方向には極めて小さな摩擦力で移動し得る。一方、矢印Ａ，Ｂ方向と直交する方向については剛性が高いため、プローブ５４は、この方向には移動しない機構となっている。   In this embodiment, the probe 54 uses a contact type probe as described in Japanese Patent Application No. 2001-271500, for example. An outline of the probe 54 will be described. The probe 54 is provided with a ruby ball 50 at the tip. The probe 54 is held on the air slide 56. The probe 54 can move with an extremely small frictional force in the directions of arrows A and B shown in FIG. On the other hand, since the rigidity is high in the direction orthogonal to the directions of arrows A and B, the probe 54 is a mechanism that does not move in this direction.

また、プローブ５４のＲ1軸方向の位置とＺ1軸方向の位置は、測長器５５により測定する。そのため、プローブ５４の上部に、ミラー５１，５２が取り付けられている。ここで、ミラー５１は、Ｒ1 方向に対して垂直に取り付けられている。一方、ミラー５２は、Ｚ1 方向に対して垂直に取り付けられている。そして、これらを基準にして、測長器５５により、プローブ５４の位置を測定する。 The position in the R 1 axis direction and the position in the Z 1 axis direction of the probe 54 are measured by the length measuring device 55. Therefore, mirrors 51 and 52 are attached to the upper part of the probe 54. Here, the mirror 51 is attached perpendicular to the R 1 direction. On the other hand, the mirror 52 is attached perpendicular to the Z 1 direction. And based on these, the position of the probe 54 is measured by the length measuring device 55.

さらに、図１２に示すように、ベース２００は角度調整部５７を介して、所定の位置に設置されている。ここで、角度調整部５７を調整することで、ベース２００を、水平方向に対して微小な角度φで傾斜させることができる。すると、プローブ５４の自重により、ルビー球５０を被測定面の表面上に接触させることができる。このように、プローブ５４に微小な角度φを与えることにより、被測定面の表面に対するルビー球５０の接触圧を、極めて小さくすることができる。しかも、プローブ５４が矢印Ａ，Ｂ方向に移動してもその接触圧が変化しないという特徴が得られる。   Furthermore, as shown in FIG. 12, the base 200 is installed at a predetermined position via the angle adjustment unit 57. Here, by adjusting the angle adjustment unit 57, the base 200 can be inclined at a minute angle φ with respect to the horizontal direction. Then, the ruby ball 50 can be brought into contact with the surface of the surface to be measured by the weight of the probe 54. Thus, by giving the probe 54 a minute angle φ, the contact pressure of the ruby sphere 50 against the surface of the surface to be measured can be made extremely small. In addition, the contact pressure does not change even when the probe 54 moves in the directions of arrows A and B.

次に、具体的な測定方法について図１３を用いて説明する。本実施の形態では、プローブ５４の先端をＲ1 Ｚ1 方向でレーザ測長しているため、形状測定データには、スピンドル５８の回転中心軸６０とプローブ５４の傾斜角αによる誤差が含まれていない。このため第１実施形態の測定フロー（図４）の中で、ステップＳ３を除くことができる。その他の測定手順は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、図４のステップＳ１は図１３のステップＳ２１に対応し、ステップＳ２はステップＳ２２に対応し、ステップＳ４はステップＳ２３に対応し、ステップＳ５はステップＳ２４に対応し、ステップＳ６はステップＳ２５に対応し、ステップＳ５’はステップＳ２４’に対応する。なお、各ステップの詳細な説明は省略する。 Next, a specific measurement method will be described with reference to FIG. In the present embodiment, since the tip of the probe 54 is laser-measured in the R 1 Z 1 direction, the shape measurement data includes an error due to the rotation center axis 60 of the spindle 58 and the inclination angle α of the probe 54. Not. For this reason, step S3 can be excluded from the measurement flow (FIG. 4) of the first embodiment. Other measurement procedures are the same as those in the first embodiment. That is, step S1 in FIG. 4 corresponds to step S21 in FIG. 13, step S2 corresponds to step S22, step S4 corresponds to step S23, step S5 corresponds to step S24, and step S6 corresponds to step S25. Correspondingly, step S5 ′ corresponds to step S24 ′. Detailed description of each step is omitted.

上記した第３実施形態によれば、第１実施形態と同様な作用、効果が得られると共に、スピンドルの回転中心軸に対するプローブの傾斜角αを考慮した座標変換の処理が不要な
ので、被測定物の表面形状を正確かつ高速高精度に評価することができる。 According to the third embodiment described above, the same operation and effect as in the first embodiment can be obtained, and coordinate conversion processing considering the tilt angle α of the probe with respect to the rotation center axis of the spindle is not required. The surface shape can be accurately evaluated at high speed and with high accuracy.

（第４実施形態）
以下、図１６を参照して、本発明の第４実施形態を説明する。図１６は、本発明の３次元形状測定装置の主要部を概略的に示す図である。本実施形態においても、エアースピンドル３の回転中心軸１０の方向をＺ1 、これに直角な方向をＲ1 とする。 (Fourth embodiment)
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a diagram schematically showing the main part of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. Also in this embodiment, the direction of the rotation center axis 10 of the air spindle 3 is Z 1 , and the direction perpendicular thereto is R 1 .

本実施形態の特徴は、エアースライド６の移動方向（Ｒ2 ）が、エアースピンドル３の回転中心軸１０と角度αだけ傾くように配置されたプローブ４の移動軸（Ｚ2 ）と直交せずに、エアースピンドル３の回転中心軸１０に直交する方向（Ｒ1 ）と平行な方向という点である。なお、その他の構成は第１実施形態と同様である。 The feature of this embodiment is that the moving direction (R 2 ) of the air slide 6 is not orthogonal to the moving axis (Z 2 ) of the probe 4 arranged so as to be inclined with respect to the rotation center axis 10 of the air spindle 3 by an angle α. Further, it is a direction parallel to the direction (R 1 ) orthogonal to the rotation center axis 10 of the air spindle 3. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

次に、具体的な測定方法について図１７を用いて説明する。測定ステップＳ３１、ステップＳ３２は、第１実施形態のステップＳ１、ステップＳ２と同様なので説明は省略する。   Next, a specific measurement method will be described with reference to FIG. Since measurement step S31 and step S32 are the same as step S1 and step S2 of the first embodiment, description thereof will be omitted.

本実施形態では、ステップＳ３３において、ステップＳ３２で取得した形状測定データのｒ2 に対して、回転中心軸１０とプローブ４の移動軸（Ｚ2 ）との相対角度αを考慮しないでよい。そのため、形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を傾き誤差の補正値αを使って補正すると、形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ｃｏｓα，θ）となる。 In the present embodiment, in step S33, the relative angle α between the rotation center axis 10 and the movement axis (Z 2 ) of the probe 4 may not be considered with respect to r 2 of the shape measurement data acquired in step S32. Therefore, when the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) is corrected using the inclination error correction value α, the shape measurement data (r 2 , z 2 cos α, θ) is obtained.

残りの測定ステップＳ３４〜ステップＳ３６は、第１実施形態のステップＳ４〜ステップＳ６と同様なので説明は省略する。   The remaining measurement steps S34 to S36 are the same as steps S4 to S6 of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

上述した第４実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用、効果が得られると共に、エアースライド６の移動方向（Ｒ2 ）が、エアースピンドル３の回転中心軸１０に直交する方向（Ｒ1 ）と平行であるため、Ｒ2 方向のデータは、回転中心軸１０とプローブ４の移動軸（Ｚ2 ）との相対速度αに影響されない測定データを得ることができる。そのため、測定データを処理する際、相対角度αを考慮した座標変換は、Ｚ2軸方向のデータのみであるため、座標変換処理の速度が速くなる。 According to the above-described fourth embodiment, the same operation and effect as in the first embodiment can be obtained, and the moving direction (R 2 ) of the air slide 6 is perpendicular to the rotation center axis 10 of the air spindle 3 ( Since the data in the R 2 direction is parallel to R 1 ), measurement data that is not affected by the relative velocity α between the rotation center axis 10 and the movement axis (Z 2 ) of the probe 4 can be obtained. Therefore, when processing the measurement data, a coordinate transformation in consideration of the relative angle α, since only data of Z 2 axial direction, speed of coordinate transformation processing is increased.

なお、第１〜第４実施形態において、エアースピンドル３の回転速度は、一定である必要はない。例えば、被測定物２に対するプローブ４の走査速度が一定になるように、エアースピンドル３の回転速度を調整することで、測定条件を安定させることができ、被測定物２の形状を精度よく測定することが可能である。   In the first to fourth embodiments, the rotation speed of the air spindle 3 does not have to be constant. For example, by adjusting the rotation speed of the air spindle 3 so that the scanning speed of the probe 4 with respect to the object to be measured 2 is constant, the measurement conditions can be stabilized, and the shape of the object to be measured 2 can be accurately measured. Is possible.

ここで、被測定物２に対するプローブ４の走査速度を一定にする方法について、詳細に説明する。   Here, a method of making the scanning speed of the probe 4 with respect to the DUT 2 constant will be described in detail.

プローブ４の走査速度は、エアースピンドル３の回転中心軸１０とプローブ４との距離Ｌに比例して速くなる。   The scanning speed of the probe 4 increases in proportion to the distance L between the rotation center axis 10 of the air spindle 3 and the probe 4.

そのため本実施形態では、プローブ４の走査速度が一定になるように、エアースピンドル３の回転軸１０とプローブ４の距離Ｌを利用して、エアースピンドル３の回転数を距離Ｌに反比例するように、遅くすることで、プローブ４の走査速度を一定に保つ処理をする。   Therefore, in this embodiment, the rotation speed of the air spindle 3 is inversely proportional to the distance L using the distance L between the rotary shaft 10 of the air spindle 3 and the probe 4 so that the scanning speed of the probe 4 is constant. By slowing down, the process of keeping the scanning speed of the probe 4 constant is performed.

（付記）
１．被測定物をＺ1 軸を中心としてθ方向に回転させ、回転角度θを検出する回転機構と、
前記被測定物に対向配置された接触式プローブと、
該プローブを移動させるプローブ移動機構と、
前記プローブの位置を測定する測長器と、
前記回転機構により検出された回転角度θと、前記測長器により測定された前記プローブの位置とを用いて処理を行い、前記被測定物に関する形状測定データを取得する処理部と、
を具備し、
前記プローブ移動機構は、前記プローブを、前記Ｚ1 軸およびＺ1 軸に直交するＲ1 軸を含むＲ1 Ｚ1 平面内で、前記被測定物の表面形状の変化に追従するようにＺ2 軸方向に移動させる第１の副移動機構と、前記プローブを、前記Ｒ1 Ｚ1 平面内で前記Ｚ1 軸及びＺ2 軸方向とは異なるＲ2 軸方向に直線移動させるための第２の副移動機構とを備え、
前記Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αが鋭角となるように、前記Ｚ1 軸とＺ2 軸が位置決めされていることを特徴とする３次元形状測定装置。 (Appendix)
1. A rotation mechanism that rotates the object to be measured in the θ direction about the Z 1 axis and detects the rotation angle θ;
A contact probe disposed opposite to the object to be measured;
A probe moving mechanism for moving the probe;
A length measuring device for measuring the position of the probe;
A processing unit that performs processing using the rotation angle θ detected by the rotation mechanism and the position of the probe measured by the length measuring device, and acquires shape measurement data related to the object to be measured;
Comprising
The probe moving mechanism, the probe, the Z 1 axis and Z 1 axis orthogonal by R 1 in R 1 Z 1 plane including the axis, the so as to follow the change in the surface shape of the workpiece Z 2 A first sub-movement mechanism for moving in the axial direction; and a second for moving the probe linearly in the R 2 axis direction different from the Z 1 axis and Z 2 axis directions in the R 1 Z 1 plane. With a secondary movement mechanism,
The three-dimensional shape measuring apparatus, wherein the Z 1 axis and the Z 2 axis are positioned so that an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis is an acute angle.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第１、２、３、４実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
At least the first, second, third, and fourth embodiments correspond to the embodiments of the present invention.

（効果）
反射率の低い被測定面を測定できると共に、プローブと被測定面の法線との傾きがＺ1 軸とＺ2 軸のなす角αの量だけ小さくなるので、被測定物の被測定面の傾斜変化が大きく、また急峻な面であっても、面形状を高精度に測定することができる。更に、曲率半径の測定誤差は発生しないので、曲率半径Ｒを含めた形状測定をも正確に測定できる。 (effect)
The surface to be measured with low reflectivity can be measured, and the inclination between the probe and the normal of the surface to be measured is reduced by the amount of the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis. Even on a surface with a large change in inclination and a steep surface, the surface shape can be measured with high accuracy. Further, since no measurement error of the curvature radius occurs, the shape measurement including the curvature radius R can be accurately measured.

２．前記第２の副移動機構は、前記プローブを前記Ｚ2 軸に垂直な方向に直線移動させるものであることを特徴とする１記載の３次元形状測定装置。 2. The second sub-moving mechanism, the three-dimensional shape measuring apparatus 1, wherein the said probe is intended to be linearly moved in a direction perpendicular to the Z 2 axes.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第１、２、３実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
At least the first, second, and third embodiments correspond to the embodiments relating to the present invention.

（効果）
Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αの値を利用して、被測定物のＲ2 Ｚ2 θ座標系の形状測定データを容易にＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データとして算出することができる。更に、第２の副移動機構の移動軸がプローブの移動軸に対して直交するように、第２の副移動機構とプローブが配置されている。よって、プローブの軸が回転機構の回転中心軸に対して角度αだけ傾くようにすると、第２の副移動機構の移動軸は回転中心軸１０に対して直交しなくなる。そのため、第２の副移動機構の移動軸が回転中心軸１０に対して直交している構成と比べると、第１の副移動機構の移動量が角度αの分だけ小さくなる。その結果、第１の副移動機構の真直度誤差を小さくすることができるので、高精度に測定ができる。また、第１の副移動機構を小型化することができる。 (effect)
Using the value of the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis, the shape measurement data of the R 2 Z 2 θ coordinate system of the object to be measured is easily calculated as the shape measurement data of the R 1 Z 1 θ coordinate system. be able to. Further, the second sub moving mechanism and the probe are arranged so that the moving axis of the second sub moving mechanism is orthogonal to the moving axis of the probe. Therefore, when the probe axis is inclined by the angle α with respect to the rotation center axis of the rotation mechanism, the movement axis of the second sub movement mechanism is not orthogonal to the rotation center axis 10. Therefore, compared to a configuration in which the movement axis of the second sub movement mechanism is orthogonal to the rotation center axis 10, the movement amount of the first sub movement mechanism is reduced by the angle α. As a result, since the straightness error of the first sub moving mechanism can be reduced, measurement can be performed with high accuracy. Further, the first sub moving mechanism can be reduced in size.

３．前記第２の副移動機構は、前記プローブを前記Ｒ1 軸に平行な方向に直線移動させるものであることを特徴とする１記載の３次元形状測定装置。 3. The second sub-moving mechanism, the three-dimensional shape measuring apparatus 1, wherein the said probe is intended to be linearly moved in the direction parallel to the R 1 axis.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第４実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
The fourth embodiment corresponds to the embodiment relating to the present invention.

（効果）
Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αの値を利用して、被測定物のＲ2 Ｚ2 θ座標系の形状測定データをＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データとして算出する際、座標処理はＺ2 軸方向のデータのみであるため、座標変換処理の速度が速くなる。 (effect)
When calculating the shape measurement data of the R 2 Z 2 θ coordinate system of the object to be measured as the shape measurement data of the R 1 Z 1 θ coordinate system using the value of the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis, since the coordinate processing is only the data of the Z 2 axial direction, speed of coordinate transformation processing is increased.

４．前記Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを任意の角度に調整可能な旋回機構を備えることを特徴とする１記載の３次元形状測定装置。 4). The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a turning mechanism capable of adjusting an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis to an arbitrary angle.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第２実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to this invention corresponds to the second embodiment.

（効果）
プローブと被測定物の法線との傾きが、どのような大きさでも、測定範囲の最大傾斜角を半分にできるので、被測定物の被測定面の傾斜変化が大きく、また急峻な面であっても、被測定物の表面形状を精度よく測定することが可能である。 (effect)
The maximum tilt angle of the measurement range can be halved regardless of the inclination of the probe and the normal line of the object to be measured, so the change in the inclination of the surface to be measured is large and the surface is steep. Even if it exists, it is possible to measure the surface shape of the object to be measured with high accuracy.

５．前記測長器は、前記プローブのＲ1軸方向およびＺ1軸方向の座標（ｒ1 ，ｚ1 ）を測定することを特徴とする１記載の３次元形状測定装置。 5. 2. The three-dimensional shape measuring apparatus according to 1, wherein the length measuring device measures coordinates (r 1 , z 1 ) in the R 1 axis direction and the Z 1 axis direction of the probe.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第３実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to this invention corresponds to the third embodiment.

（効果）
プローブのＲ1 Ｚ1 座標を測定データとして、取得できるのでＺ1 軸とＺ2 軸のなす角αを考慮せずに、被測定物の表面形状を測定できる。 (effect)
Since the R 1 Z 1 coordinates of the probe can be acquired as measurement data, the surface shape of the object to be measured can be measured without considering the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis.

６．前記測長器は、前記プローブのＲ2軸方向およびＺ2軸方向の座標（ｒ2 ，ｚ2 ）を測定することを特徴とする１記載の３次元形状測定装置。 6). 2. The three-dimensional shape measuring apparatus according to 1, wherein the length measuring device measures coordinates (r 2 , z 2 ) in the R 2 axis direction and the Z 2 axis direction of the probe.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第１、２、４実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to the first, second and fourth embodiments.

（効果）
Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αがどのような角度でも、また、角度が測定毎に変更されたとしても、プローブのＲ2 Ｚ2 座標を正確に測ることができるので、高精度な３次元形状測定が可能である。 (effect)
The R 2 Z 2 coordinates of the probe can be accurately measured regardless of the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis, and even if the angle is changed for each measurement. Three-dimensional shape measurement is possible.

７．前記処理部で取得された形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）をＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に変換する変換部を有することを特徴とする６記載の３次元形状測定装置。 7). A conversion unit for converting the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) acquired by the processing unit into shape measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) in the R 1 Z 1 θ coordinate system; 6. The three-dimensional shape measuring apparatus according to 6, wherein

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第１、２実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to the first and second embodiments.

（効果）
被測定物のＲ2 Ｚ2 θ座標系の形状測定データを容易にＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データとして算出することができる。 (effect)
The shape measurement data of the R 2 Z 2 θ coordinate system of the object to be measured can be easily calculated as the shape measurement data of the R 1 Z 1 θ coordinate system.

８．前記処理部は、形状が即知である基準平面を被測定物として形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を取得するものであり、この形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）と、基準平面の設計形状データとを用いて形状誤差データを算出し、この形状誤差データからＺ1 軸とＺ2 軸のなす角αを算出する算出部を有することを特徴とする６または７記載の３次元形状測定装置。 8). The processing unit acquires shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) using a reference plane whose shape is immediately known as an object to be measured, and the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ). 6 or 7 including a calculation unit that calculates shape error data using the design shape data of the reference plane and calculates an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis from the shape error data. The three-dimensional shape measuring apparatus as described.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第１、２実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to the first and second embodiments.

（効果）
基準平面の形状測定データを用いて、Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを算出することから、なす角αを精度良く算出することができ、それを形状補正データとして記憶して処理することにより、被測定物の面形状を高精度に補正することができる。 (effect)
Since the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis is calculated using the shape measurement data of the reference plane, the formed angle α can be calculated with high accuracy, and is stored and processed as shape correction data. Thus, the surface shape of the object to be measured can be corrected with high accuracy.

９．回転機構により被測定物をＺ1 軸を中心としてθ方向に回転させ、回転角度θを検出する工程と、
接触式プローブを前記被測定物に対向配置する工程と、
プローブ移動機構により前記プローブを移動させる工程と、
測長器により前記プローブの位置を測定する工程と、
前記回転機構により検出された回転角度θと、前記測長器により測定された前記プローブの位置とを用いて処理を行い、前記被測定物に関する形状測定データを取得する工程と、
を具備し、
前記プローブ移動機構により前記プローブを移動させる工程は、前記プローブを、前記Ｚ1 軸およびＺ1 軸に直交するＲ1 軸を含むＲ1 Ｚ1 平面内で、前記被測定物の表面形状の変化に追従するように前記Ｚ1 軸方向に対してなす角α（ただしなす角αは鋭角）であるＺ2 軸方向に移動させる第１の副移動機構による移動工程と、前記プローブを前記Ｒ1 Ｚ1 平面内で前記Ｚ1軸およびＺ2軸方向とは異なるＲ2 軸方向に直線移動させるための第２の副移動機構による移動工程を有することを特徴とする３次元形状測定方法。 9. A step of rotating the object to be measured in the θ direction about the Z 1 axis by a rotation mechanism and detecting a rotation angle θ;
A step of disposing a contact probe opposite to the object to be measured;
Moving the probe by a probe moving mechanism;
Measuring the position of the probe with a length measuring device;
Processing using the rotation angle θ detected by the rotation mechanism and the position of the probe measured by the length measuring device to obtain shape measurement data relating to the object to be measured;
Comprising
Step of moving the probe by the probe moving mechanism, the probe, with the Z 1 axis and Z in R 1 Z 1 plane containing the R 1 axis perpendicular to one axis, the change in the surface shape of the object to be measured And a moving step by a first sub moving mechanism that moves in the Z 2 axis direction that is an angle α (where the angle α is an acute angle) with respect to the Z 1 axis direction so as to follow the Z 1 axis, and the probe is moved to the R 1 A three-dimensional shape measuring method comprising a moving step by a second sub moving mechanism for linearly moving in the R 2 axis direction different from the Z 1 axis and Z 2 axis directions in the Z 1 plane.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第１、２、３、４実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to the first, second, third and fourth embodiments.

（効果）
反射率の低い被測定面を測定できると共に、プローブと被測定面の法線との傾きがＺ1 軸とＺ2 軸のなす角αの量だけ小さくなるので、被測定物の被測定面の傾斜変化が大きく、また急峻な面であっても、面形状を高精度に測定することができる。更に、曲率半径の測定誤差は発生しないので、曲率半径Ｒを含めた形状測定をも正確に測定できる。 (effect)
The surface to be measured with low reflectivity can be measured, and the inclination between the probe and the normal of the surface to be measured is reduced by the amount of the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis. Even on a surface with a large change in inclination and a steep surface, the surface shape can be measured with high accuracy. Further, since no measurement error of the curvature radius occurs, the shape measurement including the curvature radius R can be accurately measured.

１０．前記プローブをＲ2 軸方向に直線移動させる工程は、前記プローブを前記Ｚ2 軸に垂直な方向に直線移動することを特徴とする９記載の３次元形状測定方法。 10. Step, three-dimensional shape measuring method of 9, wherein the linearly moving the probe in a direction perpendicular to said Z 2 axial linearly moving the probe to R 2 axially.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第１、２、３実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to the first, second and third embodiments.

（効果）
Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αの値を利用して、被測定物のＲ2 Ｚ2 θ座標系の形状測定データを容易にＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データとして算出することができる。更に、第２の副移動機構の移動軸がプローブの移動軸に対して直交するように、第２の副移動機構とプローブが配置されている。よって、プローブの軸が回転機構の回転中心軸に対して角度αだけ傾くようにすると、第２の副移動機構の移動軸は回転中心軸１０に対して直交しなくなる。そのため、第２の副移動機構の移動軸が回転中心軸１０に対して直交している構成と比べると、第１の副移動機構の移動量が角度αの分だけ小さくなる。その結果、第１の副移動機構の真直度誤差を小さくすることができるので、高精度に測定ができる。また、第１の副移動機構を小型化することができる。 (effect)
Using the value of the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis, the shape measurement data of the R 2 Z 2 θ coordinate system of the object to be measured is easily calculated as the shape measurement data of the R 1 Z 1 θ coordinate system. be able to. Further, the second sub moving mechanism and the probe are arranged so that the moving axis of the second sub moving mechanism is orthogonal to the moving axis of the probe. Therefore, when the probe axis is inclined by the angle α with respect to the rotation center axis of the rotation mechanism, the movement axis of the second sub movement mechanism is not orthogonal to the rotation center axis 10. Therefore, compared to a configuration in which the movement axis of the second sub movement mechanism is orthogonal to the rotation center axis 10, the movement amount of the first sub movement mechanism is reduced by the angle α. As a result, since the straightness error of the first sub moving mechanism can be reduced, measurement can be performed with high accuracy. Further, the first sub moving mechanism can be reduced in size.

１１．前記プローブをＲ2 軸方向に直線移動させる工程は、前記プローブを前記Ｒ1 軸に平行な方向に直線移動することを特徴とする９記載の３次元形状測定方法。 11. Step, three-dimensional shape measuring method of 9, wherein the linear movement in a direction parallel to said probe to said R 1 axis for linearly moving the probe to the R 2 axially.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第４実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
The fourth embodiment corresponds to the embodiment relating to the present invention.

（効果）
Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αの値を利用して、被測定物のＲ2 Ｚ2 θ座標系の形状測定データをＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データとして算出する際、座標処理はＺ2 軸方向のデータのみであるため、座標変換処理の速度が速くなる。 (effect)
When calculating the shape measurement data of the R 2 Z 2 θ coordinate system of the object to be measured as the shape measurement data of the R 1 Z 1 θ coordinate system using the value of the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis, since the coordinate processing is only the data of the Z 2 axial direction, speed of coordinate transformation processing is increased.

１２．前記Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを任意の角度に調整する工程を有することを特徴とする９記載の３次元形状測定方法。 12 10. The three-dimensional shape measuring method according to 9, further comprising a step of adjusting an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis to an arbitrary angle.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第２実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to this invention corresponds to the second embodiment.

（効果）
プローブと被測定物の法線との傾きが、どのような大きさでも、測定範囲の最大傾斜角を半分にできるので、被測定物の被測定面の傾斜変化が大きく、また急峻な面であっても、被測定物の表面形状を精度よく測定することが可能である。 (effect)
The maximum tilt angle of the measurement range can be halved regardless of the inclination of the probe and the normal line of the object to be measured, so the change in the inclination of the surface to be measured is large and the surface is steep. Even if it exists, it is possible to measure the surface shape of the object to be measured with high accuracy.

１３．前記プローブの位置を測定する工程は、前記プローブのＲ1軸方向およびＺ1軸方向の座標（ｒ1 ，ｚ1 ）を測定することを特徴とする９記載の３次元形状測定方法。 13. 10. The three-dimensional shape measuring method according to claim 9, wherein the step of measuring the position of the probe measures coordinates (r 1 , z 1 ) in the R 1 axis direction and the Z 1 axis direction of the probe.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第３実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to this invention corresponds to the third embodiment.

（効果）
プローブのＲ1 Ｚ1 座標を測定データとして、取得できるのでＺ1 軸とＺ2 軸のなす角αを考慮せずに、被測定物の表面形状を測定できる。 (effect)
Since the R 1 Z 1 coordinates of the probe can be acquired as measurement data, the surface shape of the object to be measured can be measured without considering the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis.

１４．前記プローブの位置を測定する工程は、前記プローブのＲ2軸方向およびＺ2軸方向の座標（ｒ2 ，ｚ2 ）を測定することを特徴とする９記載の３次元形状測定方法。 14 10. The three-dimensional shape measuring method according to 9, wherein the step of measuring the position of the probe measures coordinates (r 2 , z 2 ) in the R 2 axis direction and the Z 2 axis direction of the probe.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第１、２、４実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to the first, second and fourth embodiments.

（効果）
Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αがどのような角度でも、また、角度が測定毎に変更されたとしても、プローブのＲ2 Ｚ2 座標を正確に測ることができるので、高精度な３次元形状測定が可能である。 (effect)
The R 2 Z 2 coordinates of the probe can be accurately measured regardless of the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis, and even if the angle is changed for each measurement. Three-dimensional shape measurement is possible.

１５．前記被測定物の形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）をＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に変換する工程を有することを特徴とする１４記載の３次元形状測定方法。 15. Converting the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) of the object to be measured into shape measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) in the R 1 Z 1 θ coordinate system. 15. The three-dimensional shape measuring method according to 14,

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第１、２実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to the first and second embodiments.

（効果）
被測定物のＲ2 Ｚ2 θ座標系の形状測定データを容易にＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データとして算出することができる。 (effect)
The shape measurement data of the R 2 Z 2 θ coordinate system of the object to be measured can be easily calculated as the shape measurement data of the R 1 Z 1 θ coordinate system.

１６．形状が即知である基準平面を被測定物として形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を取得する工程と、
この形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）と、基準平面の設計形状データとを用いて形状誤差データを算出する工程と、
この形状誤差データから、Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを算出する工程と、
を有することを特徴とする１４または１５記載の３次元形状測定方法。 16. Obtaining shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) using a reference plane whose shape is immediately known as an object to be measured;
A step of calculating shape error data using the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) and the design shape data of the reference plane;
A step of calculating an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis from the shape error data;
The three-dimensional shape measuring method according to claim 14 or 15, wherein

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第１、２実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to the first and second embodiments.

（効果）
基準平面の形状測定データを用いて、Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを算出することから、なす角αを精度良く算出することができ、それを形状補正データとして記憶して処理することにより、被測定物の面形状を高精度に補正することができる。 (effect)
Since the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis is calculated using the shape measurement data of the reference plane, the formed angle α can be calculated with high accuracy, and is stored and processed as shape correction data. Thus, the surface shape of the object to be measured can be corrected with high accuracy.

１７．前記第２の副移動機構により前記プローブをＲ2 軸方向に移動する工程は、前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲を移動する工程であり、
前記Ｒ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲における二つの形状測定データと、前記被測定物の設計形状データとを用いて形状誤差データを算出する工程と、
前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲における形状誤差データとマイナスの範囲における形状誤差データとの差を算出する工程と、
前記二つの範囲の形状誤差データの差を小さくするためのプローブＲ1 座標の補正値（Δｒ’）を求める工程と、
前記被測定物の形状測定データ（ｒ1 ，ｚ1 ，θ）に前記補正値（Δｒ’）を加算して当該形状測定データを補正する工程とをさらに有することを特徴とする１３記載の３次元形状測定方法。 17. The step of moving the probe in the R 2 axis direction by the second sub moving mechanism is a step of moving the R 1 coordinate of the probe between a plus range and a minus range.
Calculating shape error data using two shape measurement data in the range where the R 1 coordinate is plus and minus and the design shape data of the object to be measured;
Calculating a difference between shape error data in a range where the R 1 coordinate of the probe is plus and shape error data in a minus range;
Obtaining a correction value (Δr ′) of the probe R 1 coordinate for reducing the difference between the shape error data of the two ranges;
14. The method according to claim 13, further comprising a step of correcting the shape measurement data by adding the correction value (Δr ′) to the shape measurement data (r 1 , z 1 , θ) of the object to be measured. Dimensional shape measurement method.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第３実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to this invention corresponds to the third embodiment.

（効果）
測定データを用いて回転手段の回転中心軸に対するプローブのＲ1 座標の原点誤差を算出するので、回転手段の回転中心軸に対するプローブのＲ1 座標の原点誤差を高精度に補正することができる。 (effect)
Since calculating the origin error of R 1 coordinates of the probe relative to the rotational center axis of the rotation means by using the measured data, it is possible to compensate the zero point error of the R 1 coordinates of the probe relative to the central axis of rotation of the rotating means with high accuracy.

１８．前記第２の副移動機構により前記プローブをＲ2 軸方向に移動する工程は、前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲を移動する工程であり、
前記Ｒ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲における二つの形状測定データと、前記被測定物の設計形状データを用いて形状誤差データを算出する工程と、
前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲における形状誤差データとマイナスの範囲における形状誤差データとの差を算出する工程と、
前記二つの範囲の形状誤差データの差を小さくするためのプローブＲ1 座標の補正値（Δｒ’）を求める工程と、
前記被測定物の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に前記補正値（Δｒ’）を加算して当該形状測定データを補正する工程とをさらに有することを特徴とする１５又は１６記載の３次元形状測定方法。 18. The step of moving the probe in the R 2 axis direction by the second sub moving mechanism is a step of moving the R 1 coordinate of the probe between a plus range and a minus range.
Calculating shape error data using two shape measurement data in the range where the R 1 coordinate is plus and minus and the design shape data of the object to be measured;
Calculating a difference between shape error data in a range where the R 1 coordinate of the probe is plus and shape error data in a minus range;
Obtaining a correction value (Δr ′) of the probe R 1 coordinate for reducing the difference between the shape error data of the two ranges;
And a step of correcting the shape measurement data by adding the correction value (Δr ′) to the shape measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) of the object to be measured. The three-dimensional shape measurement method according to 15 or 16.

（対応する発明の実施形態）
この発明に関する実施の形態は、第１、２実施形態が対応する。 (Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to the first and second embodiments.

（効果）
測定データを用いて回転手段の回転中心軸に対するプローブのＲ1 座標の原点誤差を算出するため、回転手段の回転中心軸に対するプローブのＲ1 座標の原点誤差を高精度に補正することができる。 (effect)
To calculate the origin error of R 1 coordinates of the probe relative to the rotational center axis of the rotation means by using the measured data, it is possible to compensate the zero point error of the R 1 coordinates of the probe relative to the central axis of rotation of the rotating means with high accuracy.

本発明の概略を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline of this invention. 本発明の第１の実施形態に係る３次元形状測定装置の主要部を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the principal part of the three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. ３次元形状測定装置の処理部を表すブロック図である。It is a block diagram showing the process part of a three-dimensional shape measuring apparatus. 測定のフローチャートである。It is a flowchart of a measurement. エアースピンドルの回転中心軸に対するプローブの原点誤差を精度良く算出するための原理を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the principle for calculating accurately the origin error of the probe with respect to the rotation center axis of the air spindle. 原点位置誤差がある場合の形状誤差データをグラフ表示した図である。It is the figure which displayed the shape error data when there exists an origin position error in the graph. 本発明の変形例に係る３次元形状測定装置の主要部を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the principal part of the three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on the modification of this invention. 本発明の３次元形状測定装置の主要部を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the principal part of the three-dimensional shape measuring apparatus of this invention. ３次元形状測定装置による具体的な測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the specific measuring method by a three-dimensional shape measuring apparatus. 被測定物２とプローブ４の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the to-be-measured object 2 and the probe 4. FIG. 本発明の３次元形状測定装置の主要部を上方から見た図である。It is the figure which looked at the principal part of the three-dimensional shape measuring apparatus of this invention from the upper direction. 本発明の３次元形状測定装置の主要部を側面から見た図である。It is the figure which looked at the principal part of the three-dimensional shape measuring apparatus of this invention from the side surface. ３次元形状測定装置による具体的な測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the specific measuring method by a three-dimensional shape measuring apparatus. 従来の３次元形状測定装置の構成（その１）を示す図である。It is a figure which shows the structure (the 1) of the conventional three-dimensional shape measuring apparatus. 従来の３次元形状測定装置の構成（その２）を示す図である。It is a figure which shows the structure (the 2) of the conventional three-dimensional shape measuring apparatus. 本発明の第４実施形態の主要部を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the principal part of 4th Embodiment of this invention. 第４実施形態の具体的な測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the specific measuring method of 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１…定盤、２…被測定物、３…エアースピンドル、４…プローブ、６…エアースライド、７…リニアエンコーダ、８…Ｚステージ、９…リニアエンコーダ、１０…回転中心軸、１１…ロータリエンコーダ、２０…法線、７０…制御手段、７２…補正値演算手段、７５…座標変換手段、７６…記憶手段、７８…３次元形状測定装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Surface plate, 2 ... Object to be measured, 3 ... Air spindle, 4 ... Probe, 6 ... Air slide, 7 ... Linear encoder, 8 ... Z stage, 9 ... Linear encoder, 10 ... Rotation center axis, 11 ... Rotary encoder , 20 ... normal line, 70 ... control means, 72 ... correction value calculation means, 75 ... coordinate conversion means, 76 ... storage means, 78 ... three-dimensional shape measuring apparatus.

Claims (18)

被測定物をＺ1 軸を中心としてθ方向に回転させ、回転角度θを検出する回転機構と、
前記被測定物に対向配置された接触式プローブと、
該プローブを移動させるプローブ移動機構と、
前記プローブの位置を測定する測長器と、
前記回転機構により検出された回転角度θと、前記測長器により測定された前記プローブの位置とを用いて処理を行い、前記被測定物に関する形状測定データを取得する処理部と、を具備し、
前記プローブ移動機構は、前記プローブを、前記Ｚ1 軸およびＺ1 軸に直交するＲ1 軸を含むＲ1 Ｚ1 平面内で、前記被測定物の表面形状の変化に追従するようにＺ2 軸方向に移動させる第１の副移動機構と、前記プローブを、前記Ｒ1 Ｚ1 平面内で前記Ｚ1 軸およびＺ2 軸方向とは異なるＲ2 軸方向に直線移動させるための第２の副移動機構とを備え、
前記Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αが鋭角となるように、前記Ｚ1 軸とＺ2 軸が位置決めされ、前記プローブ移動機構が、前記Ｚ 1 軸とＺ 2 軸のなす角αを一定にして、前記プローブを移動させていることを特徴とする３次元形状測定装置。 A rotation mechanism that rotates the object to be measured in the θ direction about the Z 1 axis and detects the rotation angle θ;
A contact probe disposed opposite to the object to be measured;
A probe moving mechanism for moving the probe;
A length measuring device for measuring the position of the probe;
A processing unit that performs processing using the rotation angle θ detected by the rotation mechanism and the position of the probe measured by the length measuring device, and acquires shape measurement data relating to the object to be measured. ,
The probe moving mechanism, the probe, the Z 1 axis and Z 1 axis orthogonal by R 1 in R 1 Z 1 plane including the axis, the so as to follow the change in the surface shape of the workpiece Z 2 A first sub-movement mechanism for moving in the axial direction; and a second for moving the probe linearly in the R 2 axis direction different from the Z 1 and Z 2 axis directions in the R 1 Z 1 plane. With a secondary movement mechanism,
The Z 1 axis and the Z 2 axis are positioned so that the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis is an acute angle, and the probe moving mechanism determines the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis. A three-dimensional shape measuring apparatus characterized in that the probe is moved in a constant manner . 前記第２の副移動機構は、前記プローブを前記Ｚ2 軸に垂直な方向に直線移動させるものであることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。 The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the second sub-movement mechanism linearly moves the probe in a direction perpendicular to the Z 2 axis. 前記第２の副移動機構は、前記プローブを前記Ｒ1 軸に平行な方向に直線移動させるものであることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。 The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the second sub-movement mechanism linearly moves the probe in a direction parallel to the R 1 axis. 前記Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを任意の角度に調整可能な旋回機構を備えることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。 The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a turning mechanism capable of adjusting an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis to an arbitrary angle. 前記測長器は、前記プローブのＲ1 軸方向およびＺ1 軸方向の座標（ｒ1 ，ｚ1 ）を測定することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。 The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the length measuring device measures coordinates (r 1 , z 1 ) in the R 1 axis direction and the Z 1 axis direction of the probe. 前記測長器は、前記プローブのＲ2軸方向およびＺ2軸方向の座標（ｒ2 ，ｚ2 ）を測定することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。 The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the length measuring device measures coordinates (r 2 , z 2 ) in the R 2 axis direction and the Z 2 axis direction of the probe. 前記処理部で取得された形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）をＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に変換する変換部を有することを特徴とする請求項６記載の３次元形状測定装置。 A conversion unit for converting the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) acquired by the processing unit into shape measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) in the R 1 Z 1 θ coordinate system; The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 6, comprising: 前記処理部は、形状が即知である基準平面を被測定物として形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を取得するものであり、この形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）と、基準平面の設計形状データとを用いて形状誤差データを算出し、この形状誤差データからＺ1 軸とＺ2 軸のなす角αを算出する算出部を有することを特徴とする請求項６または７記載の３次元形状測定装置。 The processing unit acquires shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) using a reference plane whose shape is immediately known as an object to be measured, and the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ). And calculating a shape error data using the design shape data of the reference plane and calculating an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis from the shape error data. Or the three-dimensional shape measuring apparatus of 7. 回転機構により被測定物をＺ1 軸を中心としてθ方向に回転させ、回転角度θを検出する工程と、
接触式プローブを前記被測定物に対向配置する工程と、
プローブ移動機構により前記プローブを移動させる工程と、
測長器により前記プローブの位置を測定する工程と、
前記回転機構により検出された回転角度θと、前記測長器により測定された前記プローブの位置とを用いて処理を行い、前記被測定物に関する形状測定データを取得する工程と、
を具備し、
前記プローブ移動機構により前記プローブを移動させる工程は、前記プローブを、前記Ｚ1 軸およびＺ1 軸に直交するＲ1 軸を含むＲ1 Ｚ1 平面内で、前記被測定物の表面形状の変化に追従するように前記Ｚ1 軸方向に対してなす角α（ただしなす角αは鋭角）であるＺ2 軸方向に移動させる第１の副移動機構による移動工程と、前記プローブを前記Ｒ1 Ｚ1 平面内で前記Ｚ1軸およびＺ2軸方向とは異なるＲ2 軸方向に直線移動させるための第２の副移動機構による移動工程を有し、かつ、前記第１の副移動機構による移動工程および前記第２の副移動機構による移動工程の何れの工程においても、前記プローブ移動機構により、前記Ｚ 1 軸とＺ 2 軸のなす角αを一定にして、前記プローブを移動させることを特徴とする３次元形状測定方法。 A step of rotating the object to be measured in the θ direction about the Z 1 axis by a rotation mechanism and detecting a rotation angle θ;
A step of disposing a contact probe opposite to the object to be measured;
Moving the probe by a probe moving mechanism;
Measuring the position of the probe with a length measuring device;
Processing using the rotation angle θ detected by the rotation mechanism and the position of the probe measured by the length measuring device to obtain shape measurement data relating to the object to be measured;
Comprising
Step of moving the probe by the probe moving mechanism, the probe, with the Z 1 axis and Z in R 1 Z 1 plane containing the R 1 axis perpendicular to one axis, the change in the surface shape of the object to be measured And a moving step by a first sub moving mechanism that moves in the Z 2 axis direction that is an angle α (where the angle α is an acute angle) with respect to the Z 1 axis direction so as to follow the Z 1 axis, and the probe is moved to the R 1 Z 1 have a moving step of the second sub-moving mechanism for linearly moving into a different R 2 axially between the Z 1 axis and Z 2 axial direction in a plane, and, by the first sub-moving mechanism In any of the moving step and the moving step by the second sub-moving mechanism, the probe moving mechanism moves the probe while keeping the angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis constant. A characteristic three-dimensional shape measuring method. 前記プローブをＲ2 軸方向に直線移動させる工程は、前記プローブを前記Ｚ2 軸に垂直な方向に直線移動することを特徴とする請求項９記載の３次元形状測定方法。 Step, three-dimensional shape measuring method according to claim 9, wherein the linearly moving the probe in a direction perpendicular to said Z 2 axial linearly moving the probe to R 2 axially. 前記プローブをＲ2 軸方向に直線移動させる工程は、前記プローブを前記Ｒ1 軸に平行な方向に直線移動することを特徴とする請求項９記載の３次元形状測定方法。 Step, three-dimensional shape measuring method according to claim 9, wherein the linear movement in a direction parallel to said probe to said R 1 axis for linearly moving the probe to the R 2 axially. 前記Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを任意の角度に調整する工程を有することを特徴とする請求項９記載の３次元形状測定方法。 The three-dimensional shape measuring method according to claim 9, further comprising a step of adjusting an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis to an arbitrary angle. 前記プローブの位置を測定する工程は、前記プローブのＲ1軸方向およびＺ1軸方向の座標（ｒ1 ，ｚ1 ）を測定することを特徴とする請求項９記載の３次元形状測定方法。 The method for measuring a three-dimensional shape according to claim 9, wherein the step of measuring the position of the probe measures coordinates (r 1 , z 1 ) in the R 1 axis direction and the Z 1 axis direction of the probe. 前記プローブの位置を測定する工程は、前記プローブのＲ2 軸方向およびＺ2 軸方向の座標（ｒ2 ，ｚ2 ）を測定することを特徴とする請求項９記載の３次元形状測定方法。 The method for measuring a three-dimensional shape according to claim 9, wherein the step of measuring the position of the probe measures the coordinates (r 2 , z 2 ) in the R 2 axis direction and the Z 2 axis direction of the probe. 前記被測定物の形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）をＲ1 Ｚ1 θ座標系の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に変換する工程を有することを特徴とする請求項１４記載の３次元形状測定方法。 Converting the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) of the object to be measured into shape measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) in the R 1 Z 1 θ coordinate system. The three-dimensional shape measuring method according to claim 14, wherein the three-dimensional shape is measured. 形状が即知である基準平面を被測定物として形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）を取得する工程と、
この形状測定データ（ｒ2 ，ｚ2 ，θ）と、基準平面の設計形状データとを用いて形状誤差データを算出する工程と、
この形状誤差データから、Ｚ1 軸とＺ2 軸のなす角αを算出する工程と、
を有することを特徴とする請求項１４または１５記載の３次元形状測定方法。 Obtaining shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) using a reference plane whose shape is immediately known as an object to be measured;
A step of calculating shape error data using the shape measurement data (r 2 , z 2 , θ) and the design shape data of the reference plane;
A step of calculating an angle α formed by the Z 1 axis and the Z 2 axis from the shape error data;
The three-dimensional shape measuring method according to claim 14 or 15, characterized by comprising: 前記第２の副移動機構により前記プローブをＲ2 軸方向に移動する工程は、前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲を移動する工程であり、
前記Ｒ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲における二つの形状測定データと、前記被測定物の設計形状データとを用いて形状誤差データを算出する工程と、
前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲における形状誤差データとマイナスの範囲における形状誤差データとの差を算出する工程と、
前記二つの範囲の形状誤差データの差を小さくするためのプローブＲ1 座標の補正値（Δｒ’）を求める工程と、
前記被測定物の形状測定データ（ｒ1 ，ｚ1 ，θ）に前記補正値（Δｒ’）を加算して当該形状測定データを補正する工程とをさらに有することを特徴とする請求項１３記載の３次元形状測定方法。 The step of moving the probe in the R 2 axis direction by the second sub moving mechanism is a step of moving the R 1 coordinate of the probe between a plus range and a minus range.
Calculating shape error data using two shape measurement data in the range where the R 1 coordinate is plus and minus and the design shape data of the object to be measured;
Calculating a difference between shape error data in a range where the R 1 coordinate of the probe is plus and shape error data in a minus range;
Obtaining a correction value (Δr ′) of the probe R 1 coordinate for reducing the difference between the shape error data of the two ranges;
14. The method further comprising the step of correcting the shape measurement data by adding the correction value (Δr ′) to the shape measurement data (r 1 , z 1 , θ) of the object to be measured. 3D shape measurement method. 前記第２の副移動機構により前記プローブをＲ2 軸方向に移動する工程は、前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲を移動する工程であり、
前記Ｒ1 座標がプラスの範囲とマイナスの範囲における二つの形状測定データと、前記被測定物の設計形状データを用いて形状誤差データを算出する工程と、
前記プローブのＲ1 座標がプラスの範囲における形状誤差データとマイナスの範囲における形状誤差データとの差を算出する工程と、
前記二つの範囲の形状誤差データの差を小さくするためのプローブＲ1 座標の補正値（Δｒ’）を求める工程と、
前記被測定物の形状測定データ（ｒ2 cos α，ｚ2 cos α，θ）に前記補正値（Δｒ’）を加算して当該形状測定データを補正する工程とをさらに有することを特徴とする請求項１５又は請求項１６記載の３次元形状測定方法。 The step of moving the probe in the R 2 axis direction by the second sub moving mechanism is a step of moving the R 1 coordinate of the probe between a plus range and a minus range.
Calculating shape error data using two shape measurement data in the range where the R 1 coordinate is plus and minus and the design shape data of the object to be measured;
Calculating a difference between shape error data in a range where the R 1 coordinate of the probe is plus and shape error data in a minus range;
Obtaining a correction value (Δr ′) of the probe R 1 coordinate for reducing the difference between the shape error data of the two ranges;
And a step of correcting the shape measurement data by adding the correction value (Δr ′) to the shape measurement data (r 2 cos α, z 2 cos α, θ) of the object to be measured. The three-dimensional shape measuring method according to claim 15 or 16.
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